核電站無線通信系統QoS機制的研究

景弋　陳航（上海核工程研究設計院　上海　200233）

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核電站無線通信系統QoS機制的研究

景弋陳航
（上海核工程研究設計院上海200233）

摘要近年來隨著核電技術、無線通信技術、EMC技術的發展，基于WLAN的無線通信技術已經在核電站得到了越來越廣泛的應用。VoWLAN（Voice over WLAN）是一種利用WLAN來傳輸VoIP（Voice over Internet Protocol）幀的技術，VoWLAN技術是對VoIP的擴展和更新，將VoIP無線化，使用戶能更方便更直接地進行語音通信，這也使VoWLAN技術在核電站得到了普遍應用，而Qos （Quality of Service）則為網絡通信建立一個有保證的傳輸系統。本文介紹了VoWLAN的關鍵技術及影響VoWLAN的Qos的主要原因，闡述了時延、抖動、丟包等影響QoS的機理和改進方法。

關鍵詞VoIPWLANQoSSIP

一、引言

伴隨核電技術的更新換代，應用在核電站的無線通信新技術也在快速發展。近年來，隨著中國核電進入第三代核電建設發展期，低功耗、高兼容性、部署容易、基于IEEE802.11系列標準的WLAN技術在核電站的應用也得到了快速發展，同時其所運用的基于SIP協議的VoWLAN技術也在核電站無線通信系統中得到了推廣，并在核電廠建造、調試、運行等各個不同時期都起到了便利的作用。

眾所周知VoIP是一種利用IP網絡傳輸語音的技術，是語音通信和網絡通信緊密融合的技術，而VoWLAN則是一種基于WLAN網絡傳輸的語音通信技術。從某種程度上講，VoWLAN技術是對VoIP的擴展和更新，將VoIP無線化，使用戶能更方便更直接地進行語音通信。隨著網絡技術的飛速發展和多媒體應用技術的深入和普及，在IP網絡上基于SIP應用的語音通信VoIP已成為技術發展的必然趨勢。然而，如何能在實時語音的傳輸中保障良好的QoS 是VoWLAN技術在核電站深入應用和持續發展的關鍵。

二、核電站VoWLAN應用的關鍵技術

1、VoIP

VoIP簡而言之就是將模擬信號（Voice）數字化，以數據封包（Data Packet）的形式在IP網絡（IP Network）上做實時傳遞。VoIP最大的優勢是能廣泛地采用IP互連的環境，提供比傳統業務更多、更好的服務。VoIP可以在IP網絡上方便的傳送語音、視頻和數據等業務，為核電站無線通信系統的拓展服務預留了空間。

但是IP網絡主要是用來傳輸數據業務，采用的是盡力而為的、無連接的技術，因此缺少服務質量保證，存在分組丟失、失序到達和時延抖動等情況。數據業務對此要求不高，但話音屬于實時業務，對時序、時延等有嚴格的要求。因而，如何能在實時語音的傳輸中保障良好的QoS是VoIP技術發展的關鍵［1］，同時也是VoIP技術在核電站應用的關鍵。

2、WLAN

WLAN是相當便利的數據傳輸系統，它利用射頻的技術，使用無線電磁波，取代雙絞銅線所構成的局域網絡，在空中進行通信連接，使得使用人員得以擺脫有線電纜的束縛。

WLAN的實現協議有很多，其中最為著名也是應用最為廣泛的當屬Wi-Fi，它實際上提供了一種能夠將各種終端都使用無線進行互聯的技術，為用戶屏蔽了各種終端之間的差異性。基于IEEE802.11系列標準的無線局域網允許在局域網絡環境中使用可以不必授權的ISM頻段中的2.4GHz或5GHz射頻波段進行無線連接［2］。

目前應用最為廣泛的WLAN的主要標準協議如下：

（1）IEEE802.11g，2003年，物理層補充（54Mbit/s，工作在2.4GHz）；

（2）IEEE 802.11n，2009年9月通過正式標準，WLAN的傳輸速率由802.11a及802.11g提供的54Mbps、108Mbps，提高達350Mbps甚至高達475Mbps；

（3）IEEE 802.11ac，802.11n之后的版本。工作在5G頻段，理論上可以提供高達每秒1Gbit的數據傳輸能力。

3、SIP

SIP（Session Initiation Protocol，會話初始協議）是由IETF （Internet Engineering Task Force，因特網工程任務組）制定的多媒體通信協議。它是一個基于文本的應用層控制協議，用于創建、修改和釋放一個或多個參與者的會話。廣泛應用于CS（Circuit Switched，電路交換）、NGN（Next Generation Network，下一代網絡）以及IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統）的網絡中，可以支持并應用于語音、視頻、數據等多媒體業務，同時也可以應用于Presence（呈現）、Instant Message（即時消息）等特色業務［4］。另外SIP協議還充分考慮了對傳統公共電話網絡的各種業務，可以與其他用于建立呼叫的信令系統或協議結合使用。例如一個SIP主叫可以識別出PSTN上的被叫及其電話號碼，通過與PSTN相連的網關向被叫發起并建立呼叫。這便使核電站的無線通信系統可以通過SIP協議與其他有線通信系統之間實現互聯互通，比如自動電話系統、呼叫通話系統等。可以說，SIP協議是核電站無線語音通信和業務拓展實現的基礎。

三、VoWLAN的QoS評價指標

QoS被定義為：保證在維護特定的連接質量、延時、抖動參數的情況下，提供能夠滿足業務傳輸所需帶寬的能力。一般來說，QoS需求是人們對話音、視頻、其他多媒體流等實時業務的感性認識，通常是一種端到端概念，網絡中的任何瓶頸都會影響服務質量［5］。

1、語音質量評價

語音質量的測量方式是憑主觀感知的，采用MOS （Mean Opinion Score）方法評價語音質量，評測方法在ITU-TP.800中定義，如表1所示。

表1　MOS值的定義

MOS評價具有一定的主觀性，但作為參考評價方法，核電站的無線通信系統作為核電站的重要通信方式設計上考慮的MOS值應能達到4.0以上。

2、帶寬

帶寬是指在網絡上傳輸任何業務信息時每秒所能傳輸的字節數。一般認為，帶寬越大越有利于數據業務的傳輸，但任何傳輸介質的帶寬都是有限的［3］。

3、時延

時延是接收到的數據包與發送數據包的時間差。時延又分為算法時延、處理時延、網絡傳輸時延和抖動緩沖時延。

4、丟包

丟包率定義為在網絡傳輸數據包時丟棄數據包的最高比率。丟包率應小于5％，當丟包率超過10％時將極大影響服務質量。丟包的原因：線路誤碼或網絡路由故障；傳輸時延過長或網絡擁塞導致分組被丟棄。

5、抖動

抖動也叫時延變化，是指由于各種延時的變化導致網絡中的數據分組到達速率的變化。如果網絡抖動比較嚴重，那么有的話音包會因遲到而被丟棄，會產生話音的斷續及部分失真，嚴重影響音質。延遲的變化應該在10％以內為好。

抖動原因：排隊時延；可變的分組大小；中間鏈路和路由器上的相對負載。

6、包亂序

當網絡較差的時候，語音包在傳輸過程中很容易出現亂序現象，從而影響接收端播放。但是根據每個語音包的時間戳（Time Stamp），可以方便地判斷出語音包的發送順序，通常采用的解決方法同樣是在接收端使用抖動緩存，對失序包進行調整，從而重現發端的順序。

四、VoWLAN的QoS機制

1、VoIP的QoS機制

VoIP利用IP網絡承載語音，即語音和數據將共享傳輸帶寬，在此環境下如何提供語音等實時業務的QoS控制是一個不容忽視的部分。其中，多媒體語音交換使用的SIP本身屬于上層協議，而利用上層協議提供實時業務必須得到物理層和MAC層的支持，它要求MAC層能提供可靠的分組傳輸，傳輸時延低且抖動小［6］。通常實現QoS的方法有兩種：

（1）基于資源預留

網絡資源按照某個業務的QoS要求進行分配，制定資源管理策略。IETF提出的綜合服務［IntServ，RFC1633］體系結構便是基于這種策略，資源預留協議［RSVP，RFC2205］是其核心部分。根據RSVP的預留資源占所有資源的比例，Intserv模型定義了幾種服務類型：

①有保障的服務［RFC 2212］。對帶寬、時延及分組丟失率提供定量的要求和質量保證措施，如VolP應用建議可以預留10M帶寬和小于1s的時延；

②可控負載服務［RFC2211］：在網絡負荷較大的情況下所能夠提供的近似于沒有過載時的服務；

③盡力而為的服務。和當前互聯網向多數用戶提供的服務機制類似，沒有任何可以控制的質量保證。

（2）基于優先級

網絡邊界節點對業務流進行分類、整形和標記。核心節點按照資源管理策略分配資源，對QoS要求高的業務給以優先處理。IETF提出的區分服務［DiffServ，RFC 2475］便是基于這種策略，它取代了IP服務類型字段（TOS）改名為DS，并用它承載IP包服務所要求的信息，是嚴格意義上的三層技術，不涉及低層的傳輸技術。

Intserv模型中的RSVP可為數據流提供良好帶寬保證，而DiffServ則不需要信令，在發送報文前，不需要通知路由器，網絡也不必為每個流維護狀態，它只根據報文中規定的QoS來提供特定的服務。并且，它不像Intserv那樣對每個流都進行QoS控制，而是對流聚合后的每一類進行QoS控制，它只是對數據流簡單加標記進行優先級分類。從對路由器的要求來說，RSVP比DiffServ更復雜，因此RSVP不適用于骨干網路由器。Diffserv和Intserv相結合為WAN提供全局的分級服務方案將是很好的選擇。VoIP網絡中為了獲得較好的QoS效果，WAN適合于采用區分型業務模型，而LAN適合Intserv和DiffServ模型的混合形式。在實現Intserv和DiffServ的互通中，需要解決RSVP在DiffServ域中如何進行處理，以及Intserv支持的業務與DiffServ支持的PHB（Per-Hop-Behavior）之間的映射這兩個主要問題。IETF建議了兩種互通方式來保證端到端的QoS。一種方法是將綜合服務覆蓋在DiffServ網上，RSVP信令完全透明地通過；另外一種方法是簡單的并行處理，即DiffServ域參與RSVP的協議處理：采取一些策略決定哪些包用RSVP，哪些用DiffServ處理［7］。

2、VoWLAN的QoS機制

Intserv和DifferServ是針對有線傳輸提出的，而VoWLAN則利用無線傳輸，故上述的QoS機制不能直接應用于VoWLAN的Qos中，主要有兩個原因：

（1）在無線傳輸中，串擾和多徑傳播將導致衰落和色散，因此無線網絡具有數據傳輸率低而誤碼率高的特點；而WLAN等為了保證靈活性和兼容性，協議標準一般只制訂MAC層和PHY層規范，從而造成網絡上層的QoS與無線鏈路層的分離，最終QoS無法得到充分利用。

（2）隨著無線接入技術的發展，異質網絡的應用將越來越普及，各種應用一般會經過無線接入。在這種情況下，僅依靠傳統的有線網絡QoS機制已經無法提供端到端的服務質量保障，迫切需要一種能夠針對無線信道的特點，在無線鏈路層媒體訪問控制（MAC）子層提供網絡業務的區分、優先級控制、資源分配等的QoS控制和保障，從而對無線網絡和有線網絡的QoS進行整體規劃［8］。

普通的802.11無線局域網MAC層有兩種通訊方式：即分布式協同方式（DCF，Distributed Coordination Function）和點協同方式（PCF，Point Coordination Function）。其中，PCF在標準規范中定位為可選擇實現的協議機制，而DCF為強制要求實現的協議機制。PCF和DCF可以共同工作于同一個系統中。PCF機制下，網絡中各個節點由一個中心控制節點采用輪詢的方式統一為其調度安排信道接入占用，因此通常需要有網絡基礎設施的支持（如Access Point，AP）。。DCF是一種以CSMA/CA為基礎的分布式信道接入控制機制，在這種機制下，各個節點以隨機方式競爭接入信道，無需網絡基礎設施，因此也被廣泛應用于無中心結構的無線自組織網絡中。PCF設計的目的是用于服務網絡中具有時間敏感特性的多媒體實時業務，如語音、視頻等業務，利用PCF可以為這類業務流的傳輸提供信道資源預留，保障其數據傳輸的及時性。盡管如此，PCF存在無法高效利用信道資源，QoS支持能力非常有限，工程實現較為復雜等諸多缺點。因此，在現如今的IEEE 802.11相關產品中PCF很少被采用。

隨著WLAN的快速發展，各種新應用的出現對網絡的QoS支持能力提出了更高的要求，如何使得業務傳輸的QoS質量得到保障等問題越來越突出。為了適應這一發展的需要，IEEE在已有IEEE 802.11標準的基礎上進一步制定了增強QoS支持的MAC層規范，即IEEE 802.11e標準。其QoS增強部分主要體現在于，IEEE 802.11e根據業務類型的不同進行了優先級的區分，并通過引入多種信道接入區分服務機制支持不同優先級的服務質量要求。IEEE 802.1le標準草案于2005年發布，隨后在IEEE 802.11-2007正式標準規范中被歸檔合并取代［11］。

IEEE 802.11的QoS增強MAC包括有HCCA（Hybrid Controlled Channel Access）控制信道接入和EDCA（Enhanced Distributed Channel Access）增強分布式信道接入兩種信道接入機制，分別對應為PCF和DCF的增強擴展。同PCF一樣，HCCA也通過輪詢的方式為各個節點調度安排信道的接入占用。HCCA實現了無競爭的保證服務，但是實現太過復雜，而且犧牲了無線網絡分布式的優點。

EDCA是802.11e為實現更好的服務質量而提出的基于優先級的信道接入機制，它定義了四種基于IEEE 802.11的訪問類型（Access Category，AC）即：語音Voice、視頻Video、盡力而為Best Effort和背景流Background，使用8種用戶優先級（UP，User Priority）來接入無線媒體，這里的用戶指的是上層的業務，為不同的業務類型提供不同的業務等級，使得那些實時業務較高的優先級優先接入信道。8種用戶優先級（UP）和四種訪問類型（AC）的映射規則為：一個UP對應一個AC；每個AC包含兩個UP；在同一個AC中優先級高的UP優先接入信道，詳見下表［9］。

表2　EDCA的業務類別與AC的映射

雖然IEEE802.11e已經定義了MAC層的QoS標準，可是我們還是需要有機制去監督和拒絕不同類別的流量來來保證QoS機制的有效（Traffic Category）。接納控制（Admission Control）在基于802.11標準的WLAN網絡的QoS機制中其中至關重要的作用［10］。接納控制是用來控制業務是否能夠接入信道的機制。接納控制是在保證已接納業務的QoS性能不下降的前提下，判斷是否允許接入新的業務，使得信道的利用率最大化。為了防止網絡負載超出其承受能力以及保護已有的數據流的傳輸，使用接納控制機制控制網絡負載保證QoS性能是有必要的。接納控制通常取決于調度算法、可用信道容量、鏈路狀態、重傳限制以及給定業務流的調度需求。

接納控制：接納控制可以分為兩大類，即基于測量的接納控制和基于模型的接納控制。基于測量的機制根據對當前網絡狀態的測量，如吞吐量、時延的測量等，來決定是否接納新業務。如文獻提出的虛擬MAC算法［12］，通過虛擬MAC幀監測信道，而且根據虛擬幀的測量來估算本地服務情況，如吞吐量和時延，然后再做出接納決定。而基于模型的機制根據建立的模型計算模型的性能度量，然后再做出決定。

五、總結

由于WLAN網絡是一種開放式的網絡結構體系，要在現有網絡條件下實現端到端的有保障QoS，就必須找到一種VoWLAN的有效機制。每個網域都應該執行一種相應的服務等級約定以保證實時語音數據能以期望的質量傳輸。對于核電站而言僅從QoS的角度分析，基于測量的接納控制方式更能保證服務質量。但目前接納控制防止在業內還處于理論研究階段，現存的幾種保障Qos的方式也各有優缺點，導致很難在一個大范圍網域內只應用一種機制來保障QoS的標準。所以，應用綜合的QoS解決方案是現在解決核電站QoS問題的一種方式，同時繼續探索研究更進一步的QoS機制也是確保核電站無線通信服務質量的研究方向。

參考文獻

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Research on QoS Mechanism of Wireless Communication System in Nuclear Power Stations

Jing Yi Chen Hang
（Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute Shanghai 200233)

Abstrac With the development of the technologies including nuclear plant，wireless communications and EMC recently，it is emerging trend that the wireless communication systems based on WLAN have been deployed in the nuclear plant .VoWLAN，that is Voice over WLAN，is the communication technology that the voice is transmitted over IP network，VoWLAN is the extensions and updates over VoIP，makes that wireless，offers the users more convenience on voice conversations.QoS is necessary for the guarantee of the transmitting system of IP networks.This article introduce the key technologies of VoWLAN and the influence factors of QoS，discussed the mechanism and improving methods of QoS，such as delay，jitter，packet loss.

KeywordsVoIPWLANQoSSIP

中圖分類號TL4；TN926+.3

文獻標識碼A

文章編號160509-7268

作者簡介

景弋，男，工程師，華東理工大學在職研究生；2005年正式加入上海核工程研究設計院，主要從事核電廠實物保護、通信、火災探測及報警系統設計和民用弱電系統設計；作為主要設計人員或負責人參與過秦山一期、秦山三期、巴基斯坦C2/C3/C4、三門、海陽、彭澤、咸寧、桃花江、陸豐、紅沿河、示范工程等核電項目，具有連續1年以上的現場工作經驗；“核盾”實物保護集成管理平臺主要開發人員之一；在職期間獲得過4項科技成果獎及4項專利等。

陳航，男，高級工程師，上海交大研究生；1998年正式加入上海核工程研究設計院，高級工程師，主要從事核電廠通信、火災探測及報警系統及實物保護系統設計工作；參與巴基斯坦C2/C3/C4項目、秦山一期改造設計；參與三代核電依托項目的招投標工作，參與三代核電依托項目的工程設計和管理工作。